T∕CATSI 05003-2020 加氢站储氢压力容器专项技术要求

1、ICS 23.020.30，J 74T/CATSI团体标准T/CATSI 050032020加氢站储氢压力容器专项技术要求Special technical requirements for hydrogen storage pressure vessel used in hydrogen refueling station2020-02-25 发布2020-02-25 实施中国技术监督情报协会发 布T/CATSI 05003-2020目次前言 引言III1 范围12 规范性引用文件13 术语、定义和符号14 一般要求25 材料36 设计47 制造58 使用管理7I前言本标准按 GB/T 1.

2、12009标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由中国技术监督情报协会危化品储运装备技术与信息化工作委员会提出并归口。本标准起草单位：浙江大学、上海市气体工业协会、大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司、中国特种设备检测研究院、合肥通用机械研究院有限公司、浙江巨化装备工程集团有限公司、浙江蓝能燃气设备有限公司、石家庄安瑞科气体机械有限公司、南亮压力容器技术（上海）有限公司、国家能源集团氢能科技有限公司、张家口海珀尔新能源科技有限公司、山西太钢不锈钢股份有限公司、潍柴动力股份有限公司。本标

3、准主要起草人：郑津洋、寿比南、周伟明、胡军、范志超、马凯、施锋萍、孙亮、管坚、叶盛、魏春华、陈凡、王红霞、姜亮亮、刘玮、谢添、张威、潘凤文。本标准为首次制定。T/CATSI 050032020引言 加氢站储氢压力容器属于特殊用途的压力容器，是随着氢能发展而出现的新事物，其特点是：高纯氢气压力高，具有氢脆危险；压力波动频繁，具有疲劳失效危险；高压氢气能量大，失效危害严重；直接面向公众，一旦发生事故，将会直接危及人民生命和财产安全。为此，为了规范加氢站储氢压力容器材料、设计、制造、使用和检验，2018 年 8 月，国家市场监督管理总局特种设备局组织我国有关专家起草“加氢站储氢压力容器专项技术要求”

4、。经过多次讨论与修改，2019 年 3 月，国家市场监督管理总局特种设备安全与节能技术委员会压力容器分委员会审议通过了“加氢站储氢压力容器专项技术要求”。本标准是以此为基础制订的。 本标准规定了加氢站储氢压力容器材料、设计、制造、使用管理等方面应遵循的专项技术要求。由于本标准没有必要、也不可能囊括适用范围内加氢站储氢压力容器的所有技术细节，因此，在满足法规所规定的基本安全要求的前提下，不禁止本标准中没有特别提及的技术内容。 本标准规定的技术方法和技术要求不涉及任何专利，但本标准的工程应用可能会涉及特定专利，本标准使用者应承担与专利权益相关的责任。IIIT/CATSI 050032020加氢站储

5、氢压力容器专项技术要求1 范围1.1 本标准规定了加氢站储氢压力容器（以下简称储氢容器）材料、设计、制造、使用管理等方面的专项技术要求。 1.2 本标准适用于设计压力大于 41MPa、设计温度不低于-40且不高于 85，储存介质为车用氢燃料的储氢容器。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 1954铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测量方法GB/T 24511承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带GB/T 33145大容积钢质无缝气瓶GB/T 33362金属材

6、料 硬度值的换算GB/T 340192017超高压容器GB/T 34542.1氢气储存输送系统 第 1 部分：通用要求GB/T 34542.2氢气储存输送系统 第 2 部分：金属材料与氢环境相容性试验方法GB/T 34542.3氢气储存输送系统 第 3 部分：金属材料氢脆敏感度试验方法NB/T 47014承压设备焊接工艺评定NB/T 47010承压设备用不锈钢和耐热钢锻件TSG 212016固定式压力容器安全技术监察规程3 术语、定义和符号3.1 术语和定义GB/T 34019、GB/T 34542 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1.1 3.1.1临氢金属材料metal mater

7、ial in direct contact with gaseous hydrogen储氢容器正常工作时，与氢气接触的金属材料。73.1.2 3.1.2临氢受压元件pressure component in direct contact with gaseous hydrogen筒（瓶）体、封头、螺塞等承受压力载荷作用且与氢气接触的元件。 3.1.3 3.1.3铬钼钢储氢容器Cr-Mo steel vessel for hydrogen storage临氢金属材料为铬钼钢的储氢容器。 3.1.4 3.1.4奥氏体不锈钢衬里储氢容器hydrogen storage vessel lined wi

8、th austenitic stainless steel临氢衬里金属材料为奥氏体不锈钢的储氢容器。 3.2 符号A 断后伸长率，%；a0 初始裂纹深度，mm；ac 临界裂纹深度，mm；KIC 氢气中的平面应变断裂韧度，MPa·m1/2；KV2 冲击吸收能量平均值，J；LE 侧膨胀值，mm；Nieq 镍当量，%；Nc 初始裂纹扩展至临界裂纹深度的总循环次数；Np 初始裂纹扩展至 3/4 初始裂纹深度与 1/4 临界裂纹深度之和的总循环次数；Rm 抗拉强度，MPa；Seq 最大等效应力幅，MPa；Seq2 应力幅，MPa。4 一般要求4.1 储氢容器除应满足TSG 21 的要求和相关标

9、准的规定外，还应满足本标准的规定。4.2 制造单位应制定储氢容器产品企业标准，规定适用范围以及材料、设计、制造、检验、验收等的技术要求。4.3 使用单位改变储氢容器使用条件，应取得原制造单位同意改变的书面证明文件，并对改变作详细记载。4.4 储氢容器临氢金属材料在氢气中的力学性能试验应满足GB/T 34542.2 等标准的要求，氢脆敏感度试验应满足 GB/T 34542.3 的要求。5 材料5.1 基本要求5.1.1 储氢容器的选材应综合考虑材料（化学成分、力学性能、微观组织等）、使用条件（压力、温度、氢气品质等）、应力水平和制造工艺（旋压、热处理、焊接等）对氢脆的影响。5.1.2 储氢容器的

10、临氢金属材料宜选用 4130X、30CrMo 或 S31603。除满足本标准要求外，30CrMo 和 4130X 还应符合 GB/T 33145 的规定，S31603 钢板和锻件还应分别符合 GB/T 24511 和 NB/T 47010 的规定。5.1.3 临氢受压元件用无缝钢管、锻件和钢板等材料，其材料制造单位应至少提供 3 个批次的材料在空气和氢气中的常温力学性能试验数据，包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、最大力总延伸率、断面收缩率等。5.1.4 储氢容器制造单位应对临氢受压元件的材料与材料质量证明书进行确认，并按炉号对材料化学成分进行复验，按批号对材料在空气中的力学性能进行复验，复验

11、结果同时符合相关材料标准和本标准要求后，方可投料使用。5.1.5 当材料制造单位未按 5.1.3 的规定提供相关材料试验数据时，储氢容器制造单位应按 5.1.3 的规定完成相关材料的试验。5.2 临氢铬钼钢技术要求5.2.1 化学成分碳（C）含量不大于 0.35%、磷（P）含量不大于 0.015%、硫（S）含量不大于 0.008%。5.2.2 力学性能经热处理后的力学性能应同时满足以下要求：a) 在空气中的抗拉强度（Rm）不超过 880MPa，屈强比不超过 0.86，断后伸长率（A）不小于 20%；-40下 3 个试样冲击吸收能量平均值（KV2）应不小于 47J，允许 1 个试样冲击吸收能量小

12、于47J，但不小于 38J，侧膨胀值（LE）不小于 0.53mm，横向取样；b) 在氢气和空气中的抗拉强度之比、最大力总延伸率之比均不小于 0.9。5.3 临氢奥氏体不锈钢技术要求5.3.1 化学成分镍（Ni）含量大于 12%，镍当量（Nieq）不小于 28.5%，且在空气中的断面收缩率不小于 70%。镍当量按式（1）计算：Nieq=12.6C+0.35Si+1.05Mn+Ni+0.65Cr+0.98Mo（1）5.3.2 力学性能在氢气和空气中的断面收缩率之比不小于 0.9。6 设计6.1 设计条件储氢容器的设计委托方向设计单位提出的书面设计条件除应满足TSG 212016 的 3.1.3 条

13、的要求外，还应至少包括以下内容：a) 压力波动范围超过设计压力 20%的工作压力波动的预计（设计）次数；b) 月平均最低气温；c) 氢气泄漏检测方法和合格指标。6.2 设计方法6.2.1 总则6.2.1.1 铬钼钢储氢容器应为非焊接结构。6.2.1.2 纤维环向缠绕储氢容器金属内胆的最小爆破压力应大于等于储氢容器的设计压力。6.2.1.3 奥氏体不锈钢衬里储氢容器的封头应无拼接焊缝。6.2.1.4 储氢容器设计时应评定塑性垮塌、脆性断裂、疲劳、局部过度应变、泄漏等失效模式。6.2.1.5 储氢容器设计文件至少应包括设计图样、应力分析报告、风险评估报告、安装和使用维护说明。6.2.2 失效评定方

14、法6.2.2.1 塑性垮塌失效评定塑性垮塌评定应采用应力分类法或弹塑性分析法（包括载荷系数法和塑性垮塌载荷法）。6.2.2.2 疲劳失效评定a) 疲劳评定应采用疲劳设计曲线法、疲劳裂纹扩展分析法或疲劳试验法；b) 当采用疲劳设计曲线法时，应采用材料在氢气中的疲劳设计曲线，并进行未爆先漏判定；c) 当采用疲劳裂纹扩展分析法时，应根据材料在氢气中的疲劳裂纹扩展速率和平面应变断裂韧度（KIC），计算假设初始裂纹由初始深度 a0 扩展至临界裂纹深度 ac 的总循环次数 Nc 和裂纹扩展至（3/4a0+1/4ac）的总循环次数 Np，取 Np 和 1/2Nc 中的较小值为允许压力波动次数；d) 当采用疲

15、劳试验法对铬钼钢储氢容器进行疲劳失效评定时，应先用有限单元法对储氢容器进行弹性应力分析，计算容器的最大等效应力幅 Seq，再在热处理后的试验用储氢容器或试环近内表面（双面淬火时，在 1/2 厚度处）环向取疲劳试样，以高纯氢气为介质，在设计压力下，按应力幅 Seq2（Seq2 应大于等于 2Seq 且小于等于材料在空气中的疲劳极限）进行疲劳试验，试样不得在设计压力波动次数前失效。6.2.2.3 局部过度应变评定局部过度应变评定应采用应力分类法或弹塑性分析法。6.2.2.4 泄漏失效评定泄漏失效评定应采用能够模拟储氢容器使用工况的试验法或经试验验证的方法。6.3 安全系数6.3.1 塑性垮塌的安全

16、系数6.3.1.1 采用应力分类法时，确定钢材设计应力强度的抗拉强度安全系数应不小于 2.4、屈服强度安全系数应不小于 1.5。6.3.1.2 采用载荷系数法时，储氢容器压力载荷的放大系数应不小于 2.4。6.3.1.3 采用塑性垮塌载荷法时，储氢容器塑性垮塌载荷的安全系数应不小于 2.4。6.3.2 疲劳分析的安全系数当采用疲劳设计曲线法时，交变应力幅和循环次数的安全系数分别取 2 和 15。6.4 设计总图储氢容器的设计总图除应满足TSG 212016 的 3.1.4.4 条的要求外，还需注明：a) 材料要求，包括化学成分、力学性能、晶粒度、非金属夹杂物、无损检测方法和合格指标等， 奥氏体

17、不锈钢还应规定磁性相含量要求；b) 制造要求，包括容器（瓶体）成形精度、热处理参数、内壁表面粗糙度要求以及内表面无损检测方法和合格指标等；c) 容器产品在运输中的气体保护要求。6.5 超压泄放装置和管路6.5.1 超压泄放装置储氢容器的超压泄放装置宜选用适合于高压氢气介质的安全阀。6.5.2 管路加氢站应选用与高压氢气环境相适应的管路和阀门。7 制造7.1 通用要求7.1.1 氮气吹扫制造完成后，储氢容器应用氮气（纯度99.99%）进行吹扫，容器内表面及端部螺纹应清洁、干燥、无异物。7.1.2 焊接工艺评定奥氏体不锈钢衬里储氢容器的临氢焊接接头，应按NB/T 47014 的规定进行焊接工艺评定

18、，并检测磁性相和氢气中的断面收缩率。7.1.3 性能检验铬钼钢储氢容器应按批进行筒（瓶）体热处理后材料性能检验；奥氏体不锈钢衬里储氢容器应逐台进行磁性相检测，并按批进行产品临氢纵向焊接接头的焊接试件性能检验。7.1.4 泄漏试验储氢容器耐压试验合格后，应按设计文件规定进行泄漏试验。7.2 热处理后材料性能检验7.2.1 一般要求7.2.1.1 制造单位生产首台铬钼钢储氢容器时，应进行筒（瓶）体热处理后材料性能检验。对于按疲劳设计曲线法进行疲劳设计的容器还应进行筒（瓶）体的未爆先漏判定。7.2.1.2 材料炉号、设计、制造工艺均相同，且按同一热处理规范、采用连续热处理炉连续热处理的铬钼钢储氢容器

19、，每批（最多 50 台）应选择一只筒（瓶）体或试环进行热处理后材料性能检验。试环的材料炉号、公称直径、壁厚、热处理状态等都应与筒（瓶）体相同，且长度不小于 610mm。7.2.1.3 热处理后材料性能检验至少应包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验。7.2.2 材料性能检验7.2.2.1 抗拉强度采用单面淬火时，在筒（瓶）体或试环近内表面环向取样；采用双面淬火时，在筒（瓶）体或试环1/2 壁厚处环向取样。取 3 件拉伸试样，在空气中进行拉伸试验，实测抗拉强度应在制造单位热处理后的保证值范围内。7.2.2.2 硬度在筒（瓶）体或试环两端和中部横截面，沿圆周 0°、90°、180&#

20、176;、270°四个方向，分别在近内表面、1/4 壁厚、1/2 壁厚、3/4 壁厚和近外表面处，测量布氏硬度，硬度值应在设计规定的最小和最大抗拉强度对应的范围之内，且同一横截面上的硬度值偏差不得大于 30HBW。硬度值与抗拉强度换算参见 GB/T 33362。7.2.2.3 冲击吸收能量采用单面淬火时，在筒（瓶）体或试环近内表面T-L 方向（取样方向为环向、缺口方向为轴向） 取样；采用双面淬火时，在筒（瓶）体或试环 1/2 壁厚处 T-L 方向取样。取 3 个夏比冲击试样，并在-40 下进行夏比冲击试验，3 个试样冲击吸收能量平均值应不小于 47J，允许 1 个试样冲击吸收能量小于 47J，但不小于 38J，侧膨胀值应不小于 0.53mm。7.2.3 未爆先漏判定采用单面淬火时，在筒（瓶）体或试环近内表面T-L 方向（载荷方向为环向、缺口方向为轴向） 取样；采用双面淬火时，在筒（瓶）体或试环 1/2 壁厚处T-L 方向取样。取 3 件紧凑拉伸